風電機組雷擊過電壓的仿真分析及防雷接地保護

趙 煒，周廣珉

（水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 大理 671000）

風能是一種清潔能源，開發利用風能資源是調整能源結構、實現能源清潔可持續發展的重要手段。我國幅員遼闊，風能資源豐富，風電機組累積裝機容量位居世界首位。由于風能資源主要存在于空曠地帶及高山等雷電危害較為集中的區域，風電機組容易受到雷擊的危害，對風電機組的正常運行造成了嚴重威脅。

在風電機組受到雷擊時，雷電流在雷擊點流向大地時會在機組線路中產生感應過電流和過電壓，這會對系統設備造成損壞。

據統計，在雷擊損害事故中，電子系統和控制系統損壞的比例高達50%以上[1]。肖翔等[2]對風電機組雷擊過電壓進行了仿真分析，結果表明，良好的接地可以明顯地改善風電機組中的過電壓，但是不能改變機組中過電壓的最大值；楊文斌等[3]對風電機組過電壓保護和防雷設計進行了分析研究，指出在風電機組過電壓保護和防雷接地方面，應主要考慮直擊雷、感應雷、接地設計和機組配套升壓設備的保護，在風電機組易受雷擊位置及容易遭受雷擊破壞的位置安裝避雷針和避雷器可以有效解決由雷擊造成的損失問題，同時安裝風電機時應做好接地工作，必須對每臺風機做好接地計算工作。

由于雷電強度的不同，風電機組會產生不同程度的過電壓。為保證風電機組的安全運行，必須掌握系統內過電壓隨雷電強度的變化規律，同時，云貴地區多為喀斯特地貌，這種特殊的地形特征會對雷電強度和雷擊造成不同的影響。因此，本文從喀斯特地貌出發，分析了喀斯特地貌的雷電分布特征，結合ATP-EMPT仿真軟件分析了不同雷擊強度的風電機組過電壓，為喀斯特地貌的風電機組的防雷保護和安全運行提供了理論基礎和數據支持。

1 喀斯特地貌的雷電活動及防雷接地保護

1.1 喀斯特地貌的雷電分布特征

雷電是積雨云強烈發展時伴隨出現的大氣放電現象，各地發生雷電的頻率會因地形而異，同時雷電發生的路徑也會因地面的高低不平而表現出較大的差異。喀斯特地貌高低起伏，土壤的電氣特征變化較大等環境因素可導致區域大氣電場不穩定，容易引發局部強對流天氣過程，高低不平的地勢分布極易產生尖端放電現象，造成區域內落雷密度較高，從而增加風電機組雷擊的風險。同時，在不同土壤電阻率交接區域，例如土壤和巖石交界處，容易發生雷擊風險[4]。

1.2 喀斯特地貌的防雷接地保護

影響接地網接地電阻的因素主要有兩個，一個是機組周圍的土壤電阻率，土壤電阻率越低，則接地電阻越小；另一個是接地網的規模，包括接地網橫向的占地面積和接地網縱向的跨越深度。

國內外針對風電場防雷接地所采用的防護系統接地方式一般有兩種：一種是由水平接地體和垂直接地體組成接地體，另一種是采用環形接地帶。同時，也可以使用垂直接地體和水平接地體的結合形式。考慮到喀斯特地貌地表巖石分布較多，土壤電阻率較高的問題，為達到較好的接地降阻效果，首先應改變土壤的電阻率，采用添加降阻劑、局部換土、電解離子接地系統和接地模塊等方法減小土壤電阻率，同時結合擴大接地網橫向占地面積和增加接地網縱向跨越深度的方法，以滿足接地電阻的要求。

2 風電機組模型的建立

2.1 風電機組系統模型

利用ATP-EMTP軟件建立的風電機組系統初始模型如圖1所示。機組系統模型包括雷電流源、風力發電機、金屬氧化物避雷器、箱變、送電電纜等[5]。風力發電機額定電壓為690 V，額定功率為1.5 MWA，將其建模為恒定負載。風力發電機在塔的底部配備有1.5 MWA變壓器，將690 V發電機輸出電壓通過塔架底部的1.5 MWA變壓器升至24 kV，24 kV通過15 MVA、24/69 kV風電場變電所升壓至69 kV。

本文由于模擬雷電電流對風力發電系統的沖擊作用，所以在利用ATP-EMTP軟件進行模擬時，采用瞬態過電壓分析。變壓器繞組之間的電容設為固定值，利用JMARTI模型將電纜建模為分布參數。根據雷電瞬態過電壓分析，變換矩陣以400 kHz的頻率進行計算。

圖1 風電機組系統初始模型

2.2 雷電電流模型

表1 雷電電流參數

雷擊過程可以用具有上升和衰減持續時間的雙指數波形來表示。有4個主要參數定義這一雷擊過程，分別是幅度I0，波前時間τ1，波尾時間τ2和極性（可以是正值，也可以是負值）。雷擊幅值和前沿持續時間對暫態過電壓現象影響最大，前持續時間越短，雷擊時電力系統上的過電壓越大；雷擊幅度和尾部持續時間決定了電力系統部件承受的熱損傷，以及由避雷器吸收的能量[6]。需要指出的是，雷電參數的分布是不均勻的，它們取決于不同的氣候和地理因素。在本文中，IEC61400—24[7]推薦的雷電電流參數如表1所示，這些參數用于ATP-EMTP模擬。

雷電電流波形采用Heidler函數表示：

式（1）中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時間常數和波尾時間常數，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n＝2或10.

3 計算結果與分析

模擬研究了不同雷電流幅值下不同接地電阻的線路內感應過電壓，模擬結果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 雷電流幅值為120 kA時不同接地電阻下線路內感應過電壓波形圖

圖3 雷電流幅值為200 kA時不同接地電阻下線路內感應過電壓波形圖

圖4 雷電流幅值為280 kA時不同接地電阻下線路內感應過電壓波形圖

由圖可知，在相同雷電流幅值的條件下，線路內過電壓的峰值隨著接地電阻的減小逐漸增加。當雷電流幅值為120 KA、接地電阻為10 Ω時，線路內過電壓峰值為1.3 MV；當接地電阻為4 Ω時，線路內過電壓明顯降低，為0.97 MV，下降幅值達到25.4%；當接地電阻減小至2 Ω時，線路內過電壓與接地電阻為4 Ω時相比下降不明顯。因此，在風電機組防雷接地設計中應充分考慮各種因素，既要求滿足機組防雷要求，又要考慮施工難度和經濟型問題。隨著雷電流幅值的增加，線路內過電壓峰值也呈現出線性增加的變化趨勢，所以雷電流越高，對風電機組的損壞程度越大，并且在雷電流幅值為280 kA/接地電阻為2 Ω時，線路內的過電壓仍舊為2.6 MV之高，因此，為了保證風電機組的安全運行，除了良好的接地之外，恰當的避雷措施也必不可少。

4 結論

研究結果表明：隨著雷電流的增加，雷擊對風電機組的損壞程度加大。在雷電流較小的條件下，風電機組良好的接地可以有效地減小或避免雷擊對機組的損壞；在雷電流較大的條件下，良好的接地已經不能起到保護機組的作用，恰當的避雷措施必不可少。